FEM-Simulation für Aerocockpits: Belastungen frühzeitig verstehen

FEM-Simulation für Aerocockpits: Belastungen frühzeitig verstehen

Fahrradfahren erfreut sich seit Jahren wachsender Beliebtheit – sowohl im Freizeitbereich als auch im leistungsorientierten Wettkampf, etwa im Triathlon. Um eine möglichst aerodynamische Sitzposition zu ermöglichen, kommen dabei häufig sogenannte Aerocockpits zum Einsatz. Sie erlauben es, den Oberkörper abzusenken und die Unterarme abzustützen, wodurch der Luftwiderstand deutlich reduziert wird.

Aerocockpits gehören jedoch gleichzeitig zu den am stärksten beanspruchten Bauteilen am Rennrad. Sie müssen leicht und steif sein, dabei aber auch sicher unter realen Fahrbedingungen funktionieren. Dauerbelastung in Aero-Position, asymmetrische Abstützung, Schlaglöcher oder Bremsmanöver wirken teils gleichzeitig auf das Bauteil ein.

Ob ein Aerocockpit diesen Anforderungen gerecht wird, entscheidet sich nicht erst im Praxistest, sondern bereits im Designprozess. In diesem Zusammenhang haben wir gemeinsam mit Martin Brüggemann, der sich zum Ziel gesetzt hat, das beste DIY-Aerocockpit zu entwickeln, an einem konkreten Aerocockpit-Riser gearbeitet und den Entwicklungsprozess simulationsseitig begleitet.

Unter https://aerocockpit.org ist das Projekt zu verfolgen.

Von der Fahrposition zur realen Belastung

In Aero-Position wirken bis zu 60 % des Fahrergewichts über die Unterarme auf das Aerocockpit. Diese Last wirkt nicht nur nach unten, sondern erzeugt durch Geometrie und Hebelarme erhebliche Biegemomente.

Hinzu kommen:

• asymmetrische Belastungen durch schiefe Haltung oder einarmiges Abstützen
• dynamische Lasten durch Schlaglöcher oder Kanten
• kombinierte Szenarien wie starkes Bremsen in Aero-Position

Ein Bauteil kann optisch sauber konstruiert sein – und dennoch unter realen Lasten versagen, wenn diese Effekte nicht berücksichtigt werden.

Herausforderungen bei der Simulation von Aerocockpits

Sobald die Belastungen bekannt waren, wurden mit Martin gemeinsame Ziele definiert. Speziell das Gewicht ist ein entscheidender Faktor im Leistungssport. So wurde uns schnell ein Ziel bewusst: ein möglichst formstabiles Bauteil, welches auf Gewicht optimiert ist.

Hier entsteht heutzutage oft ein Konflikt mit dem, was in vielen Designprozessen tatsächlich umgesetzt wird. Manuell definierte Lastfälle, aufwändig abzubildende Asymmetrien, zeitintensive Variantenvergleiche und der Bedarf an Expertenwissen führen dazu, dass Simulationen oft spät oder nur punktuell eingesetzt werden.

Genau das ist kritisch: Zu diesem Zeitpunkt sind wesentliche Designentscheidungen bereits getroffen, Geometrien festgelegt und Änderungen teuer. Simulation dient dann oft nur noch der Absicherung, nicht mehr der Gestaltung. Das eigentliche Potenzial der FEM – frühzeitig Risiken zu erkennen, gezielt zu optimieren und fundierte Entscheidungen zu treffen – bleibt ungenutzt.

Damit Simulation ihren vollen Nutzen entfalten kann, muss sie früh, einfach und iterativ einsetzbar sein – genau dort, wo Design entsteht und Entscheidungen getroffen werden.

FEM im Dialog: Sag, was passiert – Dr.Q simuliert

Daher setzen wir auf eine KI-gestützte Form der FEM-Simulation, die kurze Iterationszyklen erlaubt und sich an der Denkweise der Anwender orientiert. Anstatt komplexe Softwarebedienung zu erlernen, können Belastungssituationen so beschrieben werden, wie man sie aus der Realität kennt und versteht.

Der Simulationsablauf ist bewusst schlank:

• CAD-Modell hochladen
• Material auswählen
• Situation beschreiben

Mit Dr.Q werden keine technischen Solver-Einstellungen definiert. Stattdessen beschreibt man die physikalischen Randbedingungen so, wie man sie wahrnimmt:

• „Eine Kraft von 300 Newton wirkt auf Fläche X.“
• „An dem einen Ende greift ein Drehmoment an, das andere Ende ist fixiert.“
• „Auf diese Fläche wirkt ein Druck, eine andere bleibt fest eingespannt.“

Dr.Q interpretiert diese Beschreibungen und übersetzt sie automatisch in einen vollständigen Simulationsworkflow. Dazu gehören die Definition von Kräften, Momenten und Lagerungen. Die Netzerstellung und Berechnung erfolgen automatisiert und liefern in kurzer Zeit belastbare Aussagen zu Spannungsverteilungen und Verformungen unter realen Lastfällen.

Simulation wird damit vom Spezialwerkzeug zum frühen Entscheidungsinstrument.

Erster Designansatz: funktionell, aber überdimensioniert

Der erste Entwurf des Aerocockpits war als durchgängige, gleichförmige Struktur ausgelegt, ohne gezielte geometrische Optimierung entlang der tatsächlichen Lastpfade. Dieser konservative Ansatz stellte sicher, dass alle auftretenden Belastungen zuverlässig aufgenommen werden.

Die Simulation zeigte, dass Spannungen und Verformungen deutlich unterhalb kritischer Grenzwerte lagen – auch unter ungünstigen Lastkombinationen. Mechanisch war das Bauteil damit klar ausreichend dimensioniert.

Gleichzeitig wurde sichtbar, dass dieser Sicherheitsansatz mit einem hohen Materialeinsatz verbunden war. Auch gering beanspruchte Bereiche waren massiv ausgeführt, was zu unnötigem Gewicht führte. Erst die Analyse der Spannungsverteilung machte deutlich, wo Material reduziert werden kann, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

Dieses ursprüngliche Design war für 3D-Druck ausgelegt. Es zeigte sich jedoch schnell, dass die Festigkeit des FDM-Materials nicht ausreichte, sodass der Wechsel auf ein homogenes, metallisches Bauteil die Konsequenz war.

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Zweiter Designansatz: Material dort, wo es wirkt

Im zweiten Designentwurf wurde der Querschnitt gezielt an die tatsächlichen Lastpfade angepasst. Statt einer durchgängigen Vollstruktur wurde Material im Bereich der neutralen Faser reduziert – also dort, wo bei Biegebelastung nur geringe Spannungen auftreten.

Der resultierende Querschnitt entspricht funktional dem Prinzip eines Doppel-T-Trägers. Diese Geometrie nutzt das Material effizienter, da die tragenden äußeren Bereiche gezielt verstärkt bleiben, während die weniger beanspruchte Mitte entlastet wird.

Die FEM-Simulation bestätigte diesen Ansatz. In den äußeren, hochbelasteten Bereichen stiegen die Spannungen erwartungsgemäß leicht an, blieben jedoch klar unterhalb der zulässigen Grenzwerte. Gleichzeitig konnte Gewicht eingespart werden, ohne die strukturelle Sicherheit zu beeinträchtigen.

Optimierter Entwurf: konsequent entlang der Lastpfade optimiert

Im finalen Design wurde das im zweiten Entwurf angewandte Prinzip konsequent weitergeführt. Das Material im Bereich der neutralen Faser wurde vollständig entfernt, sodass der Querschnitt funktional exakt dem Lastabtrag folgt.

Das Ergebnis ist eine Struktur mit klar ausgeprägten äußeren Bereichen, die die auftretenden Auflagekräfte und Drehmomente gezielt aufnehmen. Diese Zonen sind geometrisch so ausgelegt, dass sie genau den erforderlichen Querschnitt für die lokalen Spannungen und Verformungen bereitstellen.

Die FEM-Simulation zeigte, dass die Belastungen in den äußeren Bereichen weiter anstiegen, jedoch weiterhin deutlich unterhalb der maximal zulässigen Werte lagen. Gleichzeitig wurde das Gewicht nochmals reduziert, ohne Einbußen bei Steifigkeit oder Sicherheit.

Modellbeschreibung & Randbedingungen eines Beispiellastfalls

Material
Für die Auslegung wird die Aluminiumlegierung 6061 betrachtet. Zur Beurteilung des Verformungs- und Festigkeitsverhaltens werden Elastizitätsmodul und Streckgrenze herangezogen.

• Aluminium 6061:
  E-Modul ≈ 70 GPa, Streckgrenze ≈ 110 MPa

Last- und Randbedingungen
Es wirkt eine Auflagekraft von 250 N sowie ein Drehmoment von 30 Nm. Die Einspannung erfolgt unten im Bereich eines Radius. Es wird ein statischer Lastfall betrachtet.

Bauteildimensionen (B × T × H)
25 × 65 × 110 mm

Berechnungsergebnisse

Spannung

• Maximale Vergleichsspannung: < 70 MPa
• Angenommene Streckgrenze: 205 MPa
• Geforderter Sicherheitsfaktor: 1,5

Verformung

• Maximale Verformung: 0,284 mm

Der Festigkeitsnachweis ist bei einer maximal auftretenden Spannung von 61,2 MPa mit einem Sicherheitsfaktor von 1,8 erbracht. Die geringe Verformung spricht für eine hohe Steifigkeit und eine ausreichende Gebrauchstauglichkeit.

Belastungen verstehen, bevor sie zum Problem werden

Das Beispiel des Aerocockpits zeigt, wie entscheidend es ist, reale Lastfälle früh im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen. Aerocockpits und deren Riser sind komplex belastete Bauteile, deren Anforderungen sich nicht aus idealisierten Annahmen, sondern aus realen Fahrzuständen ergeben.

Die schrittweise Weiterentwicklung des Designs - vom konservativen Ausgangsentwurf über eine lastgerechte Querschnittsanpassung bis hin zur konsequenten Materialreduktion entlang der Lastpfade - macht deutlich, welchen Beitrag FEM-Simulation leisten kann, wenn sie früh und iterativ eingesetzt wird.

Wer reale Belastungen früh versteht, entwickelt bessere Produkte.
Wer sie einfach simuliert, entwickelt schneller.

Dr.Q macht FEM-Simulation zugänglich.
Einfach wie ein Gespräch.‍

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Ein besonderer Dank gilt Niclas Holz für das Bearbeiten dieses Projekts und das Mitwirken an diesem Artikel, sowie an Martin Brüggemann für die Bereitstellung der idee, der 3D-Dateien und die insgesamt angenehme Zusammenarbeit.